Jeder Tumor hat eine einzigartige molekulare Adresse, eine Art biologische Postleitzahl, die ihn von gesundem Gewebe und anderen Krebsarten unterscheidet. Das Problem ist, dass bisher keine vollständige Karte dieser Adressen existierte. Niemand wusste genau, wo im menschlichen Körper man suchen musste. Natürliche Biomarker (DNA, Proteine) sind zu selten, schwer zu finden und lösen oft Fehlalarme aus, da sie auch durch normale Zellaktivität produziert werden. Nun hat ein Team von Georgia Institute of Technology Er erstellte die erste Version eines echten Tumoratlas, der die spezifische enzymatische Aktivität von 14 verschiedenen Krebsarten katalogisierte. Mithilfe dieser Karte können biotechnologisch hergestellte Sensoren im Körper zirkulieren, den Code des Tumors erkennen und synthetische Marker freisetzen, die mit Standardtests nachweisbar sind. Ein einziger Test zur Erkennung von Brust-, Lungen-, Prostatakrebs und elf weiteren Krebsarten.
Das Projekt, das jeden Krebs kartiert
Als Georgia Tech einen Vertrag über 49,5 Millionen Dollar von derAgentur für fortgeschrittene Forschungsprojekte für Gesundheit (ARPA-H) war das Ziel klar, aber riskant: die Erstellung eines Tumoratlas, der die Durchführung von Tests auf mehrere Krebsarten ermöglicht, bevor Tumore auf herkömmlichen Scans sichtbar werden. Wie in der offiziellen Pressemitteilung berichtet, es war kein garantiertes Geld. Das Team um den Bioingenieur Gabe Kwong Er müsse beweisen, dass die Idee funktioniere, sonst werde die Finanzierung eingestellt.
Zwei Jahre später wurde die kritische Schwelle überschritten. Das Team baute das erste Instrument, das die Enzymaktivität um Tumore und gesunde Zellen messen konnte, und nutzte es dann um die einzigartigen molekularen Signaturen von 14 verschiedenen Krebsarten zu kartieren. Dieser Tumoratlas ist die Grundlage für die Entwicklung von Sensoren, die im Körper zirkulieren, den spezifischen „Barcode“ eines Tumors erkennen und leicht erkennbare Marker ins Blut abgeben.
Kwong erklärt:
„Wenn ich einen Sensor an eine bestimmte Körperregion senden möchte, gibt es heute keine Möglichkeit, ihn gezielt anzusteuern. Wir verabreichen ihn systemisch, und er verteilt sich im gesamten Gewebe. Das Besondere daran ist, dass wir Gewebestellen jetzt mit einem spezifischen molekularen Barcode definieren. Wenn ein Sensor systemisch verabreicht wird, sollte er nur aktiviert werden, wenn der Barcode mit dem lokalen Gewebe übereinstimmt.“
Warum ein Tumoratlas nötig war
Etwa 20 % der Menschen auf der Welt erkranken im Laufe ihres Lebens an Krebs (in Amerika sind es laut derAmerican Cancer Society). Die meisten werden erst in einem fortgeschrittenen Stadium entdeckt, wenn die Behandlung schwieriger, teurer und weniger wirksam ist. Aktuelle Screening-Methoden (Koloskopie, Mammographie, PSA-Test) funktionieren zwar, erkennen aber jeweils nur eine Krebsart. Und oft gelingt dies erst, wenn der Tumor bereits groß genug ist, um sichtbar zu sein.
Die Suche nach natürlichen Biomarkern (zirkulierende Tumor-DNA, spezifische Proteine) ist auf ein Problem gestoßen: Diese Substanzen sind in winzigen Mengen vorhanden und werden auch durch normale Zellaktivität produziert, was zu Fehlalarmen führt. Herkömmliche Sensoren wissen nicht, wo sie suchen sollen. Sie werden überall aktiviert und erzeugen Hintergrundrauschen statt klarer Signale.
Das Projekt CODA (Krebs- und Organdegradationsatlas) Sie änderten ihren Ansatz. Anstatt nach seltenen Molekülen im Blut zu suchen, kartierte das Team die Enzymaktivität rund um Tumore. Jede Krebsart hat ein einzigartiges Enzymprofil, wie einen molekularen Fingerabdruck. Es ist, als hätte man eine bestimmte Adresse, anstatt herumzulaufen und zu hoffen, zufällig jemandem zu begegnen.
So funktionieren intelligente Sensoren
In der zweiten Projektphase finalisiert das Team den Tumoratlas und testet drei verschiedene Sensortypen. Alle nutzen „molekulare Logik“, um Tumorzellen zu erkennen und auf sie zu reagieren. Es ähnelt einem Multi-Faktor-Authentifizierungssystem: Ein einzelnes Enzym reicht nicht aus; mehrere enzymatische Signale an derselben Stelle sind nötig, um den Sensor zu aktivieren.
Sobald der Sensor den vollständigen Code (die für den Tumor spezifische Enzymkombination) erkennt, setzt er einen synthetischen Marker ins Blut frei. Dieser Marker ist so konzipiert, dass er mit Standardlabortests leicht nachweisbar ist und nicht durch das Hintergrundrauschen natürlicher Biomarker beeinträchtigt wird.
Ross Uhrich, Programmmanager bei ARPA-H, der das CODA-Projekt betreut, betont: „Vorstudien in präklinischen Modellen sind sehr vielversprechend. Die Sensorprototypen des Teams übertreffen bereits jetzt vergleichbare Biomarker auf dem Markt bei der Erkennung kleiner Tumore.“
Wie bereits bei anderen innovativen Diagnosetechnologien geschehenZiel ist es, zuverlässige, erschwingliche und zugängliche Tests im großen Maßstab zu erreichen.
Ein sich ständig weiterentwickelnder Krebsatlas
Kwong arbeitet zusammen mit John Blazeck des Schule für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik e Peng Qiu des Restaurants Coulter-Abteilung für Biomedizintechnik am Georgia Tech. Zu den wichtigsten Partnern gehören Bioingenieurwesen Tal Danino des Columbia University e Min Xue des Restaurants Mount Sinai Gesundheitssystem.
Die erste Version des Tumoratlas enthält mehrere Modelle für jede Krebsart und zeigt damit, dass der Ansatz funktioniert. Der Atlas ist jedoch als lebendiges Dokument konzipiert: Mit dem Eintreffen neuer Daten wird die Karte erweitert und verfeinert. Künftig wird er auch anderen Forschern zur Verfügung stehen, die neue Krebs-Screening-Tools entwickeln möchten.
„Die grundlegende Prämisse besteht darin, dass die Behandlung von Brustkrebs etwas anderes ist als die Behandlung von Lungenkrebs, und dieser wiederum ist etwas anderes als die Behandlung von gesundem Lungengewebe“, erklärt Kwong.
Jeder Stoff hat seine eigene Handschrift, wie ein Viertel mit einzigartigen architektonischen Merkmalen.
Von der Science-Fiction in die Klinik
Klingt das alles unglaublich? Das ist es auch. Das ARPA-H-Modell soll risikoreiche und massive Investitionen erfordernde Ideen im Gesundheitswesen beschleunigen. Kwong schätzt, dass dieses Ergebnis mit dem traditionellen Forschungsansatz 20 bis 30 Jahre gedauert hätte. Das CODA-Projekt zielt darauf ab, dies in 3–5 Jahren zu erreichen: 2028–2030.
„Es ist eine Frage des Umfangs“, sagt Kwong. „Mit einem herkömmlichen Forschungsansatz bin ich mir nicht sicher, ob ich das jemals erreichen würde. Hier wird alles komprimiert und die Arbeit dauert drei bis fünf Jahre.“
Sobald der Tumoratlas vollständig ist und die Sensoren validiert sind, besteht das Ziel darin, Multi-Krebs-Tests zu kommerzialisieren, die in großem Maßstab eingesetzt werden können. Tests, die Mammographien, Koloskopien und PSA ersetzen können. Mit einem einzigen Bluttest können 14 verschiedene Krebsarten erkannt werden, solange sie noch klein und heilbar sind.
Wenn das nächste Mal ein Sensor im Körper zirkuliert und den molekularen Code eines unsichtbaren Tumors erkennt, wird das kein Glück sein. Es wird daran liegen, dass er eine Karte hatte.
Und er wusste genau, wo er suchen musste.
